1. 二维材料的范德华外延生长

近年来，以石墨烯（G）、二硫化钼（MoS₂）为代表的一类新型二维电子材料，因具有超薄厚度、表面光滑无悬挂键、可人为任意堆垛等重要特点，从而有望在不增加器件面积的前提下，克服物理量子效应、大幅提高晶体管的密度与性能等。因此，二维材料已经成为下一代高密度集成电路的重要候选对象，是实现多功能、高性能新原理器件集成的核心力量。然而，当前还存在一个限制二维材料规模化应用的重要问题是如何实现高质量二维材料的大批量的可控生产。现有的制备手段，例如剥离方法获得的样品存在畴区尺寸小、厚度不可控、难以获得均匀大面积等问题。因此，若想实现基于二维材料的异质器件的大规模集成应用，高质量大面积二维材料的外延生长及其异质结构的构筑是首要解决的问题。

近年来，我们课题组将范德华外延法应用于非层状硫族半导体材料二维化生长，从六方晶体到立方晶体结构，从单组分到复杂的三组分体系，分别实现了CrSe、CdTe、Pb1-x SnxSe、PbS、NbS₂、Bi₂O₂Se、Te、Cr₂S₃、α-MnS等具有不同晶体结构的非层状材料的二维化及阵列结构。目前已经取得一系列受到国际同行重视的研究进展，其中包括5篇Advanced Materials (Adv. Mater. 2019，31, 1900056；Adv. Mater. 2017，29, 1703122；Adv. Mater. 2016, 28, 617；Adv. Mater. 2016, 28, 6497; Adv. Mater. 2016，28, 8051-8057), 1篇 Nano Letters (Nano Lett. 2019，19, 2154-2161)；2篇ACS Nano (ACS Nano 2019, 13, 1451914528；ACS Nano 2019, 13, 12662-12670)。

二维铁磁材料的出现为人们研究原子层厚下材料的磁性提供了前所未有的机会，并且它的出现为基于二维的自旋电子器件的设计提供了可能。然而，目前二维铁磁材料存在的一个普遍问题是，二维铁磁体的居里温度（Tc）受层间磁耦合支配，Tc随厚度降低而降低，并且远低于室温，这显然不利于其应用于实际的自旋电子器件中。最近，我们课题组在范德华外延法可控制备的研究基础上，成功实现了1到2个晶胞厚度Cr₂Te₃单晶的大面积制备。通过进一步研究，我们发现Cr₂Te₃ 的Tc从块体材料中的160 K通过调制材料厚度到5-6个晶胞厚度时，其Tc会急剧提升至280 K，磁化强度和反常霍尔效应（AHE）测量为室温下自发磁化的存在提供了明确的证据。理论模型表明，Cr₂Te₃的表面重构可能是导致Tc反常厚度依赖性的起源。这种尺寸调制方法为操纵铁磁性开辟了一条新途径（Nano Lett. 2020, 20, 3130−3139）。

2. 基于二维的先进多功能器件

到目前为止，二维材料已被证明在逻辑器件，存储器件，光电器件等方向具有广阔的应用前景。此外，不同的二维材料可以借助弱范德华作用力自由的堆垛形成具有原子级平整界面的人工异质结构，这种异质结构通常被称为范德华异质结。通过选择不同的二维材料和特定的堆垛方式，各自的独特性质可以有机地结合在一起。从这一研究角度出发，范德华异质结提供了一个全新的平台去研究新型电子和光电子器件性质。

我们课题组在研究二维材料生长的同时，也致力于设计基于二维的多功能电子器件，目前在该方向已取得一系列研究成果：(1) 我们成功搭建了由 Graphene、 h-BN 、 MoS2和MoTe2组成的非对称范德华异质结器件，实现了高性能的多功能集成光电器件。由于器件的非对称结构，电荷载流子注入可以在正负偏压条件下分别在隧穿和热激活之间切换。从而，该器件不但具有高的电流开关比（6×10⁸）和整流比（~10⁸），还可以作为一个具有稳定保持和连续可调存储状态的可编程整流器，其展现出超高的读写和擦除的电流比（~10⁹）和整流比（~10⁷）。这一研究实现了超高器件性能与多功能集成的有机统一，为探索高性能新原理异质器件提供了新思路，该成果已发表在 Nat. Electron., 2018, 1, 356。（2）首次展示了由HfSe2-xOx薄片制成的单极忆阻器的逻辑功能，并利用MoS₂/graphene/HfSe₂−xOx范德华异质结构建了memtransistors。双端忆阻电阻器具有稳定的单极开关特性，具有高开关比(>10⁶)、高工作温度(106℃)、长期耐用性(>10⁴ s)和多位数据存储，并可作为存储锁存器和逻辑闸。得益于这些优良的记忆特性，三端异质结构记忆晶体管在电开关行为上表现出广泛的可调性，可以同时实现逻辑操作和数据存储。最后，我们探讨了它们在具有存储能力的逻辑单元如D型触发器中的应用前景。这些结果显示了二维材料在电阻开关应用中的潜力，并为未来的内存计算开辟了一条道路（Nano Lett. 2020, 20, 4144−4152）。（3）利用 MoS₂，h-BN，和CuInP₂S₆（CIPS）构建了一个二维双门控铁电范德华异质结，其可以作为高性能的非易失性存储器和可编程整流器。由于h-BN的插入和双门控耦合配置，使得CIPS的铁电性能够被有效调控并稳定保存。通过这个设计，该器件作为非易失性存储器表现出了创记录的高性能，其具有大内存窗口，大的开关比(10⁷)，超低编程态电流(10⁻¹³ A)，和长期耐久性(10⁴ s)；而作为可编程整流器，我们观察到了宽范围的门可调整流行为，并且器件在编程状态下具有大的稳定的整流比（3×10⁵）。该研究表明了铁电范德华异质结应用于新型多功能铁电器件的潜力（Adv. Mater. 2020, 32, 1908040）。（4）在范德华异质结可控制备及其电子和光电子性质的研究基础上，发现范德华异质结中vdW gap可以通过窄带隙半导体PbS表面S悬键与MoS₂中人工诱导S空位之间强轨道杂化来桥接。在vdW异质结构中，由vdW gap引入的额外隧穿势垒极大地增加了光生载流子的注入势垒。通过这种无缝隙的桥接策略，该器件在近红外波段展现出了极高的探测性能。何军课题组构筑的这种无间隙异质结构无需借助脉冲栅压实现了快速的光开关, 桥接后的MoS₂/PbS异质结构具有超高光触发开/关比（超过106），超快响应速度47μs。与同类的vdW光电晶体管相比，这种无间隙的异质结构筑的光电晶体管在光触发开关比和光响应时间有着显着改善（响应速度提升超过5个数量级；响应速度提升超过4个数量级）（ACS Nano 2019, 13, 14519−14528）。 （5）基于MoS₂/PbS范德华异质结设计了一种红外非易失性存储器。光生电子空穴空间分离，该器件有效阻止了光生电子空穴的复合，极大的提高了光电导增益。该器件展现出了极高的红外光探测性能：光响应度超过10⁷安培每瓦,光增益超过10¹¹，探测率超过10¹⁵琼斯，而且具有极其稳定的光存储性能，存储时间超过10⁴秒。此外该存储器可以通过脉冲栅压擦除，经过2000次循环仍能保持稳定。结合理论模型与实验数据，我们发现光存储机制来源于PbS中光生电子注入MoS₂，界面势垒Ф_R阻止MoS₂里面的电子反向注入PbS。光生空穴被局域在PbS中引起光栅效应，诱导的电子浓度大约2.4×1024cm-3, 出现光存储现象。通过脉冲栅压MoS2电子浓度增加，MoS2中电子通过量子遂穿注入PbS与局域空穴复合，光存储被擦除。这项研究成果为光电子存储以及其逻辑电路提供了新思路（Sci.Adv.2018;4:eaap7916）。

3. 对二维电子器件的优化和调制

在研究二维电子器件的同时，探索各种外界条件对器件性能的影响对于优化和调控二维电子器件的性能至关重要。现有研究表明，由于二维层状半导体材料表面无化学悬键，使其载流子免于表面粗糙度、电荷中心等导致的散射机制的影响，从而能够获得较高的载流子迁移率。但其超薄的特性导致其具有小的吸收截面；弱的静电屏蔽效应导致二维材料具有大的激子束缚能；而且强烈的库伦相互作用也会通过俄歇过程增加光生电子空穴在缺陷处的复合机率。这些弊端都限制了二维材料在光电探测上的应用。

因此，我们课题组在研究二维材料的高质量大面积生长以及构建多功能二维电子器件的工作基础上，还长期从事对二维电子器件性能优化和调制方面的研究。目前在该方向已取得了一系列成果：（1）由于范德华异质结的层间间隙会产生隧穿势垒，使得光激发载流子的注入电阻大大增加，从而限制范德华异质结的应用。在此，我们提出了一种消除多种异质结范德华间隙的通用策略。通过非层状硫化物半导体界面悬垂键与过渡金属硫族元素的人工空穴之间的强轨道杂化而在异质结界面处形成桥接，使得一类桥接异质结的光响应时间和光子触发开关比相较于常见的范德华异质结提高了几个数量级。该研究成果为克服范德华异质结结构性能限制提供了一种通用策略（Adv. Mater. 2020, 32, 1906874）。（2） 通过研究graphene/h-BN/MoTe₂异质结器件的电荷输运特性，我们发现利用石墨烯/h-BN浮栅结构可以动态调节导电极性，使MoTe₂晶体管的出现反双极性输运行为和负跨导特性，并且利用不对称电场对复合和扩散电流的调节作用，可以系统地控制反双极性输运和负跨导。因此，器件显示出前所未有的峰值电阻调制系数(≈5×10³)，有效的光激调制具有明显的阈值电压漂移和较大的光激通/关比(≈10⁴)。这些结果表明该二维异质结器件在未来逻辑器件应用方面具有广阔的前景（Adv. Mater. 2019, 31, 1901144）。（3）在二维MoS_2XSe_2(1-X)中，通过硫原子空位和等电子Se原子的协同效应，我们实现了鲁棒的陷阱效应，发现其可以捕获载流子并稳定地存储它们。从而，使该材料在红外探测方面具有很高的光响应率和光敏比，并使其单个材料便具有非易失性红外存储器的高程序擦除比（~10⁸）和快速切换时间。这项研究为缺陷工程在实现高性能红外探测器和存储器方向开辟了一条道路（Nat. Commun. 2019, 10, 4133）。